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LibreTexts Español

12.8: Tensiones térmicas

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    objetivos de aprendizaje

    • Formular relación entre el estrés térmico y la expansión térmica

    Expansión Térmica

    La expansión térmica es el cambio de tamaño o volumen de una masa dada con la temperatura. La expansión del alcohol en un termómetro es uno de los muchos ejemplos comúnmente encontrados de esto. El aire caliente aumenta debido a que su volumen aumenta, lo que hace que la densidad del aire caliente sea menor que la densidad del aire circundante, lo que provoca una fuerza de flotación (ascendente) sobre el aire caliente. Lo mismo ocurre en todos los líquidos y gases, impulsando la transferencia de calor natural hacia arriba en hogares, océanos y sistemas meteorológicos. Los sólidos también experimentan expansión térmica. Las vías y puentes ferroviarios, por ejemplo, tienen juntas de expansión que les permiten expandirse y contraerse libremente con los cambios de temperatura.

    imagen

    Juntas de expansión térmica: Las juntas de expansión térmica como estas en el Puente del Puerto de Auckland en Nueva Zelanda permiten que los puentes cambien de longitud sin pandeo. (crédito: Ingolfson, Wikimedia Commons)

    ¿Cuáles son las propiedades básicas de la expansión térmica? Primero, la expansión térmica está claramente relacionada con el cambio de temperatura. Cuanto mayor sea el cambio de temperatura, más se doblará una tira bimetálica. Segundo, depende del material. En un termómetro, por ejemplo, la expansión del alcohol es mucho mayor que la expansión del vidrio que lo contiene.

    ¿Cuál es la causa subyacente de la expansión térmica? Un aumento en la temperatura implica un aumento en la energía cinética de los átomos individuales. En un sólido, a diferencia de un gas, los átomos o moléculas están estrechamente empaquetados, pero su energía cinética (en forma de pequeñas y rápidas vibraciones) empuja a los átomos o moléculas vecinos separados entre sí. Este empuje de vecino a vecino resulta en una distancia ligeramente mayor, en promedio, entre vecinos, y suma un tamaño mayor para todo el cuerpo. Para la mayoría de las sustancias en condiciones ordinarias, no hay dirección preferida, y un aumento de la temperatura aumentará el tamaño del sólido en una cierta fracción en cada dimensión.

    Para ser más cuantitativo, el cambio en la longitud ΔL es proporcional a la longitud L. La dependencia de la expansión térmica de la temperatura, sustancia y longitud se resume en la ecuación

    \[\mathrm{ΔL=αLΔT}\]

    donde ΔL es el cambio de longitud L, ΔT es el cambio de temperatura, y α es el coeficiente de expansión lineal, que varía ligeramente con la temperatura.

    Estrés Térmico

    El estrés térmico se crea por expansión o contracción térmica. El estrés térmico puede ser destructivo, como cuando la expansión de la gasolina rompe un tanque. También puede ser útil, por ejemplo, cuando dos partes se unen entre sí calentando una en la fabricación, luego deslizándola sobre la otra y permitiendo que la combinación se enfríe. El estrés térmico puede explicar muchos fenómenos, como la meteorización de rocas y pavimento por la expansión del hielo cuando se congela.

    Las fuerzas y presiones creadas por la tensión térmica pueden ser bastante grandes. Las vías férreas y las carreteras pueden abrochar en los días calurosos si carecen de juntas de expansión suficientes. Las líneas eléctricas se hunden más en verano que en invierno, y se romperán en clima frío si no hay suficiente holgura. Las grietas se abren y cierran en las paredes de yeso a medida que una casa se calienta y enfría. Las cacerolas de vidrio se agrietarán si se enfrían rápidamente o de manera desigual, debido a la contracción diferencial y las tensiones que crea. (Pyrex ® es menos susceptible debido a su pequeño coeficiente de expansión térmica) Los recipientes a presión de los reactores nucleares están amenazados por un enfriamiento demasiado rápido, y aunque ninguno ha fallado, varios se han enfriado más rápido de lo que se considera deseable. Las células biológicas se rupturan cuando los alimentos se congelan, restando valor a su sabor. La descongelación y congelación repetida acentúa el daño. Incluso los océanos pueden verse afectados. Una parte significativa del aumento del nivel del mar resultante del calentamiento global se debe a la expansión térmica del agua del mar.

    El metal se usa regularmente en el cuerpo humano para implantes de cadera y rodilla. La mayoría de los implantes necesitan ser reemplazados con el tiempo porque, entre otras cosas, el metal no se une con el hueso. Los investigadores están tratando de encontrar mejores recubrimientos metálicos que permitan la unión de metal a hueso. Un reto es encontrar un recubrimiento que tenga un coeficiente de expansión similar al del metal. Si los coeficientes de expansión son demasiado diferentes, las tensiones térmicas durante el proceso de fabricación conducen a grietas en la interfaz recubrimiento-metal.

    Otro ejemplo de estrés térmico se encuentra en la boca. Los empastes dentales pueden expandirse de manera diferente al esmalte dental. Puede dar dolor al comer helado o tomar una bebida caliente. Pueden aparecer grietas en el relleno. Los empastes metálicos (oro, plata, etc.) están siendo reemplazados por rellenos compuestos (porcelana), que tienen coeficientes de expansión más pequeños, y están más cerca de los de los dientes.

    Puntos Clave

    • La expansión térmica es el cambio de tamaño o volumen de una masa dada con el cambio de temperatura.
    • Un aumento en la temperatura implica un aumento en la energía cinética de los átomos individuales, lo que incrementará el tamaño de un sólido en una determinada fracción en cada dimensión.
    • La tensión térmica se crea cuando se constriñe la expansión térmica.

    Términos Clave

    • tensión: La distribución interna de la fuerza por unidad de área (presión) dentro de un cuerpo que reacciona a las fuerzas aplicadas que causan deformación o deformación y normalmente se simboliza por σ.
    • diferencial: Una diferencia cualitativa o cuantitativa entre cosas similares o comparables.

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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